【手続補正書】
【提出日】平成18年4月6日(2006.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  偏心揺動型減速機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周に内歯を有する円筒体と、円筒体内に収納され、外周に前記内歯に噛み合い歯数が該内歯より若干少ない外歯を有するピニオンと、該ピニオンを軸方向に貫通する柱部を有するキャリアと、前記ピニオンに挿入され、回転することでピニオンを偏心回転させるクランク軸とを備えた偏心揺動型減速機において、前記キャリアに円筒体を外側から囲む円筒状の延長部を設けるとともに、円筒体と延長部との間に多数の鋼球を設け、該鋼球を介して円筒体とキャリアとを回転可能としたことを特徴とする偏心揺動型減速機。
【請求項２】
前記円筒体の外周および延長部の内周に鋼球が転がり接触する環状の軌道面をそれぞれ形成した請求項１記載の偏心揺動型減速機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、偏心揺動型減速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の基板として用いられるウェーハは、ポリシングテーブル上に配置した後、アルミナ等の研磨材が懸濁されたアルカリ液（スラリー）を供給しながらポリシャで機械、化学的に研磨するようにしている。
【０００３】
従来、このようなウェーハ研磨用のポリシングテーブルは、低騒音、低振動で回転させなければならないため、該ポリシングテーブルに低速回転用の駆動モータの出力軸を直結し、該駆動モータによって駆動回転させるようにしていた。ここで、近年、研磨を行うウェーハが徐々に大型化してきたので、駆動モータも大トルク出力が可能な大型のものを使用するようになり、この結果、駆動モータが大重量で高価となってしまうという問題点が生じた。そして、このような問題点を解決するため、駆動モータを高速回転する小型モータから構成するとともに、該小型モータとポリシングテーブルとの間に高比で減速することができる偏心揺動型減速機を介装することが考えられる。
【０００４】
ここで、前述のような偏心揺動型減速機としては、例えば、特開平５−１７２１９４号公報に記載のようなものを用いることができる。このものは、内周に内歯としての外ピンを有し、固定側である円筒状のケーシングと、ケーシング内に収納され、外周に前記外ピンに噛み合うとともに、歯数が該外ピンより若干少ない外歯を有する外歯歯車と、前記ケーシング内に挿入され、外歯歯車を軸方向に貫通したキャリアピンを有する回転側のキャリアと、前記外歯歯車に挿入され、回転することで外歯歯車を偏心回転させる偏心体軸とを備え、偏心体軸の回転を減速してキャリアに出力するようにしたものである。そして、このものにおいては、前記ケーシングとキャリアとの間に一対の軸受を設け、該軸受を介してキャリアをケーシングに回転可能に支持させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そして、このようにポリシングテーブルの駆動装置を、高速回転する小型モータと偏心揺動型減速機とから構成した場合には、減速機の減速比を、小型モータの回転速度とポリシングテーブルの回転速度とから簡単に決定し、当該減速比に近い減速比の減速機を用いると考えられる。しかしながら、前述のように減速機の減速比を小型モータの回転速度とポリシングテーブルの回転速度とだけから決定した場合には、研磨されたウェーハの平坦度が低下することがあるという問題点が判明した。
【０００６】
そこで、本発明者達は前述したようなウェーハの平坦度低下の原因を探るため種々の検討、試験を重ね、その原因がポリシングテーブルの回転速度の変動にあることを見い出した。その後、このようなポリシングテーブルの回転速度の変動メカニズムについて鋭意研究を行い、以下のような知見を得た。
【０００７】
即ち、ポリシングテーブルの回転速度の変動Ｄは、駆動モータの回転速度の変動Dmを減速機の減速比Ｒで除した値と、減速機の伝達誤差による速度変動Ddとの和で表すことができる。
Ｄ＝Dm／Ｒ＋Dd          …… (1)
ここで、駆動モータの回転速度の変動Dmについては、市販モータの中から好適なモータを選択するしか対処方法がないので、検討から省いた。
【０００８】
次に、減速機の伝達誤差による速度変動Ddについて検討を行った結果、このような速度変動Ddは減速機全体のねじり剛性（減速機を構成する歯車の歯の変形等の累積により発生するもので、入力軸を固定したときの出力軸の回転と考えることができる）の変動と、減速機の加工誤差による変動とが支配要因であることが判明した。
【０００９】
そこで、さらに研究を重ね、減速機全体のねじり剛性は、歯車同士の有効同時噛み合い数が多いほど、即ち減速比が大きくなるほど、小さくなることを見い出した。一方、減速機の加工誤差に関しては、出力軸の回転速度の最大変動幅Nrが、以下の式 (2)により近似的に表されることから、減速比を小さくするほど、小さくなることを見い出した。
Nr＝２Ｒ×ｎ×da＋４Ｒ×ｎ×db        …… (2)
ここで、ｎは出力理論回転数、daは減速機の加工誤差による出力軸１回転毎にＲ回変動する伝達誤差の片振幅、dbは減速機の加工誤差による出力軸１回転毎に２Ｒ回変動する伝達誤差の片振幅である。なお、da、dbを小さくする考えは、市販歯車の中から好適な歯車（ＪＩＳ等級の小さい歯車）を選択するしか対処方法がないので、検討から省いた。
【００１０】
このような知見から減速機の減速比がある値のときに、ポリシングテーブルの回転速度変動率が最小となり、減速比が前述の値より大きくあるいは小さくなると、該速度変動率が大きくなることを見い出した。その後、前記値を求めるために、試験を多数回行い、図３に示すような結果を得た。この図３から明らかなように減速比が12のときに速度変動率が最小となっているが、実際の研磨におけるウェーハの平坦度に悪影響を与えない範囲は 6〜20である。但し、減速比が 8未満であると、図３に示すように減速機が大重量になり過ぎて、ポリシング装置が設置されるクリーンルームの床耐荷重を超えるおそれがあるため、用いることができない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、内周に内歯を有する円筒体と、円筒体内に収納され、外周に前記内歯に噛み合い歯数が該内歯より若干少ない外歯を有するピニオンと、該ピニオンを軸方向に貫通する柱部を有するキャリアと、前記ピニオンに挿入され、回転することでピニオンを偏心回転させるクランク軸とを備えた偏心揺動型減速機において、前記キャリアに円筒体を外側から囲む円筒状の延長部を設けるとともに、円筒体と延長部との間に多数の鋼球を設け、該鋼球を介して円筒体とキャリアとを回転可能としたものである。
また、請求項２に記載のように構成すれば、円筒体およびキャリアの剛性が共に高くなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、２において、11は偏心揺動型減速機10の円筒体であり、この円筒体11の中心軸は上下方向に延びている。この円筒体11の内周でその軸方向中央部には断面が半円形をした多数の半円溝12が形成され、これらの半円溝12は軸方向に延びるとともに周方向に等距離離れて配置されている。13は多数（半円溝12と同数）の円柱状をした内歯ピンであり、これらの内歯ピン13はそのほぼ半分が半円溝12内に収納されることで円筒体11の内周に周方向に等距離離れて設けられている。各内歯ピン13の外側には円筒状をした２個のローラフォロア14が回転可能に嵌合され、これらのローラフォロア14は内歯ピン13の軸方向に離れて配置されている。前述した内歯ピン13およびローラフォロア14は全体として、円筒体11の内周に設けられた多数枚の内歯15を構成する。
【００１３】
前記円筒体11内には円板状をした２個のピニオン16、17が軸方向に離れて収納され、各ピニオン16、17の外周には歯数が前記内歯15より若干少ない（この実施例では１個だけ少ない）外歯18がそれぞれ形成されている。そして、これらピニオン16、17の外歯18はトロコイド歯から構成されるとともに、内歯15、詳しくはローラフォロア14にそれぞれ噛み合っている。このように回転可能な内歯15のローラフォロア14に外歯18を噛合させているので、内歯15と外歯18との噛み合いが転がり接触となって摩擦抵抗が大幅に低減し、これにより、発熱が効果的に抑制される。
【００１４】
また、各ピニオン16、17にはそれぞれ軸方向に貫通した複数の遊嵌孔19が形成され、これらの遊嵌孔19は周方向に等距離離れて配置されている。20は図示していないフレームに固定されたキャリアであり、このキャリア20は前記遊嵌孔19をそれぞれ軸方向に貫通する複数の柱部21を有する。これら柱部21の下端には略リング状をした下端板部22が一体的に連結されているが、この下端板部22の外径は前記円筒体11の外径より大径である。一方、柱部21の上端にはリング状をした上端板23が着脱可能に固定されている。
【００１５】
前記下端板部22の半径方向外側端には円筒体11を外側から囲む延長部としての外筒24が固定され、この外筒24の内周および前記円筒体11の外周には多数の鋼球25がそれぞれ転がり接触する２本の環状軌道面26、27が形成されている。これにより、円筒体11は鋼球25を介してキャリア20に回転可能に支持されるが、このとき、転がり軸受のアウター、インナーレースを外筒24、円筒体11に一体形成することで、前述のようにこれら外筒24、円筒体11に軌道面26、27を形成するようにしたので、外筒24を含むキャリア20および円筒体11の剛性が共に高くなり、この結果、後述のポリシングテーブル44の回転精度が高精度となる。
【００１６】
30はピニオン16、17の中心軸上に形成された貫通孔であり、この貫通孔30内には、前記下端板部22の内端に一体的に連結され内部に貫通孔31が形成された円筒状の内筒32が遊嵌され、この内筒32の上端は前記上端板23の内端に密着されている。このようにキャリア20、詳しくは内筒32およびピニオン16、17に円筒体11の中心軸とほぼ同軸の貫通孔31、30をそれぞれ形成すれば、減速機10の中心軸上に多用途に使用可能な貫通孔を設けることができる。前述した柱部21、下端板部22、上端板23、外筒24、内筒32は全体として、前記キャリア20を構成する。
【００１７】
また、前記ピニオン16、17には円筒体11の中心軸から半径方向外側に所定距離離れた位置に複数の軸孔35がそれぞれ形成され、これらの軸孔35は前記遊嵌孔19間にそれぞれ配置されている。36は軸孔35と同数のクランク軸であり、これらのクランク軸36の下端部は下端板部22に転がり軸受37を介して、また、その上端部は上端板23に転がり軸受38を介して回転可能に支持されている。各クランク軸36はその軸方向中央部にクランク軸36の中心軸から逆方向に偏心した偏心部39、40を有し、これら偏心部39、40はピニオン16、17の軸孔35内に針状ころ軸受41を介装した状態で挿入されている。この結果、これらクランク軸36は円筒体11の中心軸から半径方向外側に所定距離離れて配置されることになる。前述した円筒体11、ピニオン16、17、キャリア20、クランク軸36は全体として、前記偏心揺動型減速機10を構成する。
【００１８】
44は前記円筒体11の上端に中間リング45を介して連結された円板状のポリシングテーブルであり、このポリシングテーブル44上には機械、化学的研磨が行われるウェーハが配置される。そして、前記クランク軸36が回転して偏心部39、40がピニオン16、17の軸孔35内で偏心回転すると、ピニオン16、17も偏心回転（公転）するが、このとき、前述のように外歯18の歯数が内歯15の歯数より若干少ないので、前記クランク軸36の回転はピニオン16、17により減速されて円筒体11およびポリシングテーブル44に伝達され、これら円筒体11、ポリシングテーブル44を低速で一体的に回転させる。46は前記貫通孔31内に遊嵌された上下方向に延びる配管であり、この配管46の上端はポリシングテーブル44の下面に固定され、下端にはロータリージョイント47が固定されている。そして、この配管46内にはポリシングテーブル44の温度制御用の配線が収納されており、このようなことからポリシングテーブル44の温度制御を容易に行うことができる。
【００１９】
51は下端板部22の下面に取り付けられた駆動モータ（ＡＣサーボモータ）であり、この駆動モータ51の出力軸52はいずれかのクランク軸36と同軸である。そして、この駆動モータ51の出力軸52と、この出力軸52と同軸であるクランク軸36とはカップリング53を介してスプライン結合により直結されており、この結果、前記駆動モータ51が作動すると、クランク軸36は駆動モータ51から駆動力を受けて回転する。ここで、前記出力軸52およびクランク軸36を、円筒体11の中心軸から駆動モータ51の半径Ｒより大きな距離Ｌだけ半径方向外側に離して配置しているので、配管46が配置されている貫通孔31を駆動モータ51からあまり干渉を受けることなく使用することができる。
【００２０】
54は円筒体11の上端部外周とキャリア20の外筒24の上端部内周との間に配置されたオイルシール、55は円筒体11の上端とキャリア20の上端板23の外周との間に中間リング45を介して配置されたオイルシールであり、これらのオイルシール54、55はいずれもピニオン16、17よりポリシングテーブル44側（上側）に配置されている。これにより、上方に向かって開放するとともに円筒体11が上方から挿入されたキャリア20の上端開口は閉止され、ピニオン16、17を収納しているキャリア20の内部空間が容易に密封される。
【００２１】
そして、前述のような減速機10により駆動モータ51の回転を減速してポリシングテーブル44を回転させる際、該ポリシングテーブル44の回転速度変動をウェーハの平坦度に悪影響を与えない範囲に収めるには、前述のように該減速機10の減速比、即ち、減速機10の入力端であるクランク軸36と出力端である円筒体11との回転減速比を 6〜20の範囲とする必要がある。しかしながら、減速機10の減速比が 8未満であると、前述のように減速機10が大重量になり過ぎて、ポリシング装置が設置されるクリーンルームの低い床耐荷重を超えるおそれがあるため、用いることができない。このようなことから減速機10の回転減速比は 8〜20の範囲でなければならない。ここで、減速機10の回転減速比を10〜17の範囲とすると、軽量化を図りつつポリシングテーブル44の回転速度変動をさらに低下させることができるので、この回転減速比を10〜17の範囲とすることが好ましい。
【００２２】
次に、この発明の一実施形態の作用について説明する。
ポリシングテーブル44上のウェーハを機械、化学的に研磨する場合には、駆動モータ51を作動して出力軸52、クランク軸36を回転させる。この結果、クランク軸36の偏心部39、40がピニオン16、17の軸孔35内で偏心回転してピニオン16、17を偏心回転（公転）させるが、このとき、前述のように外歯18の歯数が内歯15の歯数より若干少ないので、クランク軸36の回転は高比で減速されて円筒体11に伝達され、該円筒体11およびポリシングテーブル44を一体的に大トルクで低速回転させる。
【００２３】
そして、このようにポリシングテーブル44が低速で回転しているとき、スラリーを供給しながらウェーハをポリシャで機械、化学的に研磨する。ここで、ポリシングテーブル44の回転速度に大きな変動が生じると、ウェーハの平坦度が低下するが、前述のように減速機10の回転減速比を 8〜20の範囲とすると、軽量化を図りつつ、ポリシングテーブル44の回転速度の変動を効果的に抑制することができる。
【００２４】
なお、前述の実施形態においては、キャリア20を固定するとともに円筒体11を回転可能とし、クランク軸36に入力された回転をピニオン16、17により減速して円筒体11からポリシングテーブル44に出力するようにしたが、この発明においては、円筒体を固定するとともにキャリアを回転可能とし、クランク軸に入力された回転をピニオンにより減速してキャリアからポリシングテーブルに出力するようにしてもよい。また、前述の実施形態においては、ピニオン16、17にその中心軸から等距離離れた複数の軸孔35を形成するとともに、各軸孔35にクランク軸36の偏心部39、40をそれぞれ挿入し、該クランク軸36を回転させることでピニオン16、17を偏心回転させるようにしたが、この発明においては、ピニオンの中心軸上に軸孔を形成するとともに、該軸孔にクランク軸の偏心部をそれぞれ挿入し、該クランク軸を回転させることでピニオンを偏心回転させるようにしてもよい。また、クランク軸の入力端に、例えば複数の平歯車から構成された前段減速機を連結し、入力回転を前段減速機で減速した後、クランク軸に入力するようにしてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、軽量化を図りつつ、ポリシングテーブルの回転速度変動を低下させることで、ウェーハの平坦度を容易に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
この発明の一実施形態を示す図２のＡーＡ矢視断面図である。
【図２】
図１のＢーＢ矢視断面図である。
【図３】
減速比と重量、速度変動率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
11…円筒体                 13…内歯ピン
14…ローラフォロア         15…内歯
16、17…ピニオン           18…外歯
20…キャリア               21…柱部
24…延長部                 25…鋼球
26、27…軌道面             30…貫通孔
31…貫通孔                 36…クランク軸
44…ポリシングテーブル     46…配管
51…駆動モータ             54、55…オイルシール